JP2008248975A - 焼結金属部品 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油を含浸させた焼結金属摺動部材の摺動特性、特に初期摺動時における摺動特性の改善を図る。
【解決手段】焼結含油軸受１の内周には、支持すべき軸２の外周面と摺動する軸受面４が設けられる。軸受面４には多数の表面開孔５が存在すると共に、多数のディンプル６が設けられる。ディンプル６には、ディンプル６の表面開孔５を介して内部空孔３に引き込まれないような第２の潤滑剤７が保持されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、摺動面を有する焼結金属部品、特に潤滑油を含浸してなる焼結金属部品に関する。

従来、各種機械部品、特に軸受部や動力伝達部など他の機械要素との間で摺動を伴う箇所に使用される機械部品に、焼結金属で形成され、その内部に潤滑油等を含浸させた焼結金属部品が好適に用いられている。

例えば、情報機器用のモータスピンドルを構成する滑り軸受として、焼結金属製の軸受内部に潤滑油を含浸させてなる、いわゆる焼結含油軸受が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

また、液体潤滑性能と固体潤滑性能とを兼備した滑り軸受として、内部に潤滑油が含浸されると共に、黒鉛や二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤粉末を表層部に定着させてなる焼結含油軸受が知られている（例えば、特許文献２を参照）。かかる構成は、潤滑油が軸受部に不足する場合であっても安定した軸受性能を発揮することを狙ったものである。
特開平１０−２８１１５０号公報 特開平８−２０８３６号公報

ところで、潤滑油の焼結金属軸受への含浸作業は、通常、焼結金属軸受を減圧環境下で潤滑油に浸漬して行われる（いわゆる真空含浸）。この際、例えば潤滑油を加熱し、粘性抵抗を下げた状態で含浸作業を行えば、潤滑油が焼結金属軸受の内部空孔に入り込み易くなる。しかしながら、この方法による含浸を行った製品においては、初期の摺動時に軸受面に潤滑油が存在せず、潤滑油による潤滑作用が十分に得られない場合が考えられる。

すなわち、潤滑油は、通常、金属の数百倍もの繊膨張係数を有するため、加熱した状態の潤滑油を含浸した後、製品が使用温度（例えば常温）まで冷却されることで、収縮比の大きい潤滑油が焼結軸受内に引き込まれ、軸受面上に潤滑油が残らない場合が起こり得る。これでは、軸と軸受とが接触摺動することになり、十分な潤滑効果が得られないことから、摩擦の増大を招き、軸受の摩耗をはじめ、異音や振動の発生が懸念される。

特許文献２には、潤滑性能を確保する目的で、焼結金属成分に黒鉛や二流化モリブデンを配合したものが提案されているが、直接的な接触摺動であることに変わりはなく、十分な潤滑作用が得られているとは言い難い。

以上の事情に鑑み、本発明では、潤滑油を含浸させた焼結金属部品の摺動特性、特に初期摺動時における摺動特性の改善を図ることを技術的課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、摺動面を有する焼結金属製の部品で、その内部空孔に第１の潤滑剤を含浸してなるものであって、相手部材との相対摺動に伴い、内部空孔に含浸した第１の潤滑剤が摺動面上に滲み出ることにより、相手部材と第１の潤滑剤を介して摺動するものにおいて、摺動面に凹部が形成され、凹部の表面に存在する開孔を介して内部空孔に引き込まれないような第２の潤滑剤が凹部に充填されていることを特徴とする焼結金属部品を提供する。

このように、本発明は、焼結摺動部材の内部に含浸させて使用する潤滑剤とは異なる性状の潤滑剤（第２の潤滑剤）を、摺動面の一部に配したことを特徴とする。詳細には、摺動面に第２の潤滑剤を保持するための凹部を設けると共に、第２の潤滑剤として、凹部の表面開孔を介して内部空孔に引き込まれない性状のものを選定し、使用することを特徴とする。かかる構成によれば、定常時、焼結金属部品の内部空孔に含浸させた第１の潤滑剤（潤滑油など）により当該金属部品とその相手部材との間で摺動潤滑状態が確保されると共に、初期摺動時、凹部に保持された第２の潤滑剤により、当該金属部品と相手部材との間で摺動潤滑状態が確保される。従い、仮に第１の潤滑剤が摺動面上に残らない場合であっても、凹部に保持された第２の潤滑剤により定常時の摺動潤滑状態に近づけることができ、初期摺動時における摩耗や異音の発生を可及的に抑制することができる。

凹部に保持される第２の潤滑剤として、凹部の表面開孔を介して内部空孔に引き込まれないものである限り、任意組成の潤滑剤を使用することができる。例えば半固体状（ゲル状など）のグリースなどを使用することができる。また、この中でも特に、高い変形抵抗を示し、かつ形態保持性に優れたゼリー状の潤滑剤が好適である。

また、第２の潤滑剤としては、使用温度範囲内での任意の温度変化により生じる内部空孔への引き込み力に抗して凹部に留まり得るものが好ましい。既述の通り、含浸された潤滑剤と、焼結金属部品とでは大きく繊膨張係数が異なるため、含浸後の冷却に限らず、想定される使用（雰囲気）温度範囲内での温度変化により潤滑剤が内部空孔に引き込まれる可能性があるためである。

凹部は第２の潤滑剤を充填、収容可能な形状をなすものであればよく、その形状は問わない。また、断続的か連続的かも問わない。例えば、穴状や溝状に複数の凹部を形成することもでき、これら穴部や溝部をつなげて形成することもできる。また、摺動面としての機能を考慮すれば、凹部として多数のディンプルが摺動面上に形成されていることが好ましい。摺動面上に第２の潤滑剤を配することはもちろんであるが、第１、第２双方の潤滑剤による潤滑状態および摺動状態を考慮するならば、なるべく第２の潤滑剤が摺動面上に偏ることなく均等に配されていることが好ましいからである。

上記構成の凹部および第２の潤滑剤を備えた焼結金属部品は、例えば、内周に挿入した軸を、同じく内周に設けた摺動面で支持する用途、すなわち焼結含油軸受に好適に用いることができる。

以上より、本発明によれば、潤滑油を含浸させた焼結金属部品の摺動特性、特に初期摺動時における摺動特性の改善を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態を図１および図２に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る焼結含油軸受１を示している。同図における焼結含油軸受１は円筒状をなし、焼結金属で形成されている。また、焼結含油軸受１は多数の内部空孔３を有し、これら内部空孔３に第１の潤滑剤としての潤滑油を含浸した構成をなす。焼結含油軸受１の内周には、支持すべき軸２（同図中１点鎖線）の外周面と摺動する軸受面４が設けられる。

図２（ａ）は、図１における領域Ａの拡大断面図である。同図に示すように、軸受面４には多数の表面開孔５があり、軸２の相対回転に伴い、軸２の外周面と対向する軸受面４の表面開孔５を介して内部空孔３に保持されている潤滑油が滲み出すようになっている。また、軸受面４には表面開孔５の他、多数のディンプル６が設けられる。ディンプル６には、ディンプル６の表面開孔５を介して内部空孔３に引き込まれないような第２の潤滑剤７が保持されている。

上記構成の焼結含油軸受１は、例えば原料となる金属粉末を圧粉成形する工程（ａ）、圧粉成形体を焼結する工程（ｂ）、焼結体にサイジングを施す工程（ｃ）、潤滑油を含浸する工程（ｄ）、およびディンプルに第２の潤滑剤を充填する工程（ｅ）とを経て製造される。なお、ここでは、サイジング工程（ｃ）時にディンプル６を形成する。以下、各工程を詳細に説明する。

（ａ）圧粉成形工程
まず、原料となる金属粉末を成形金型内部に充填し、これを圧縮成形することで完成品に近い形状の圧粉成形体を得る。なお、原料には、例えばＦｅあるいはＦｅ系合金の金属粉末を主成分とするものが用いられるが、もちろんＣｕあるいはＣｕ系合金の金属粉末など他の金属粉末を原料に用いることもでき、これら複数種の金属粉末を混合したものを原料として用いることもできる。また、必要に応じて黒鉛や二硫化モリブデン等の粉末状固体潤滑剤を添加したものを原料として用いても構わない。

（ｂ）焼結工程
上記工程（ａ）で得られた圧粉成形体を、原料となる金属粉末の焼結温度まで加熱することで焼結し、焼結体を得る。なお、使用する金属粉末の種類によっては、焼結による浸炭作用を避けるため、かかる焼結作業を非浸炭雰囲気下で行うことも可能である。

（ｃ）サイジング工程
上記工程（ｂ）で得られた焼結体に対し、適当な金型を用いて圧迫力を付与することで、焼結体を所定形状に整形する。この実施形態では、図示は省略するが、焼結体の内周面を整形するサイジングピンの外周に、ディンプル６に対応する形状の突起部を設けたものを用いることで、焼結体の内周に適度な大きさの表面開孔５を有する軸受面４を形成すると共に、この軸受面４に潤滑剤７を保持すべき複数のディンプル６を形成する。

（ｄ）含浸工程
上記（ａ）〜（ｃ）の工程を経て、完成品の形状（図１に示す形状）に仕上がった焼結体に潤滑油を含浸させる。具体的には、焼結体に対し適当な容器内で真空引きを施しておき、潤滑油で満たした潤滑油浴中に当該焼結体を浸漬させることで、内部空孔３に潤滑油を含浸させる。この際、潤滑油の内部空孔３への含浸を確実かつ短時間で行うため、潤滑油を加熱した状態で含浸作業を行うこともできる。

そして、含浸作業後、適当な油除去装置を用いて油切り作業を行う。これにより、内部空孔３に含浸させた潤滑油はそのままに、表面に付着した余分な潤滑油が除去される。

（ｅ）ディンプルへの潤滑剤充填工程
上記工程（ｄ）を経て得られた含油焼結体の内周に形成されたディンプル６に潤滑剤７を充填する。ディンプル６に充填する潤滑剤７には、ディンプル６の表面開孔５を介して内部空孔３に引き込まれないものを選択、使用する。この場合、表面開孔５の開孔径と潤滑剤７の引き込み作用との関係を考慮して、加工方法を含めたディンプル６の設計、および潤滑剤７の選定を行うことが肝要となる。

上記構成の焼結含油軸受１において、軸２の相対回転に伴い、内部空孔３に保持された潤滑油が表面開孔５を介して軸受面４上に滲み出す。これにより、軸２と焼結含油軸受１との間に潤滑油の膜が形成され、この潤滑油膜を介して軸２が回転自在に支持される。

また、図２（ｂ）に示すように、軸２の相対回転開始時、軸受面４上のディンプル６に保持される潤滑剤７が軸２と優先的に接触することにより、相対回転する軸２との間で摺動潤滑状態が確保される。そのため、回転開始時など、潤滑油の滲み出しが不十分な場合であっても、軸２と軸受面４との直接的な接触摺動を極力避けることができ、この接触摺動による摩耗や異音の発生を可及的に抑制することができる。

また、上述のように、焼結含油軸受１への含浸作業の都合上、含浸作業後、高温状態で含浸された潤滑油が冷却されることで内部空孔３に引き込まれ、使用開始時、特に製造後初めて使用する際には、軸受面４上に潤滑油が残らない場合もあり得る。しかし、このような場合であっても、常にディンプル６に保持された潤滑剤７の作用により軸２との摺動状態をなるべく円滑に保つことができるため、初期摺動時の摩耗や異音、振動の発生を可及的に抑えることができる。また、製造後になじみ運転等を行わずに済むため、かかる作業に要する時間およびコストの低減化を図ることができる。また、この実施形態のように、焼結含油軸受１の内周に潤滑剤７を保持する場合であれば、回転に伴う遠心力で潤滑剤７が飛散する恐れもない。

また、このように、冷却に伴う潤滑油の引き込みを考慮するのであれば、例えば、使用温度範囲内での如何なる温度変化に対しても、ディンプル６の表面開孔５を介して内部空孔３に引き込まれないような第２の潤滑剤７を選択、使用するべきである。例えば、この種の焼結含油軸受１であれば、−４０℃〜１２０℃の範囲で使用されることが想定されるため、この温度範囲内における最大の温度低下（冷却）を想定した場合であっても、表面開孔５を介して生じる内部空孔３への引き込み力に抗してディンプル６に留まり得る潤滑剤７を用いることが好ましい。あるいは、温度上昇により内部空孔３に保持される潤滑油が昇温膨張し、ディンプル６の表面開孔５を介して潤滑剤７を押し出す向きに作用した場合であっても、潤滑剤７が押し出されずに保持され得るものであることも重要である。

上述の条件を満たす限りにおいて、使用可能な潤滑剤７は特に限定されず、例えば高粘度のグリース等、種々の潤滑剤を使用することができるが、その中でもゲル状の潤滑剤、特にゼリー状をなす潤滑剤が好適である。ここでいうゼリー状の潤滑剤は、高い変形抵抗を有し、かつ自己形態保持性を有するものであり、一旦ディンプル６内に保持された状態を維持し、かつ表面開孔５からの引き込み力（毛細間力）に対しても高い抵抗力を示す。もちろん、軸２と接触摺動した箇所においては、摩擦熱により液相化することで、通常の潤滑剤として機能し得る。かかるゼリー状の潤滑剤は、例えば鉱油もしくは合成油を基油とし、この基油中に粉末状態の金属石鹸（増ちょう剤）を分散攪拌した後、加熱したものを攪拌することなくそのまま冷却することにより得ることができる。

上記ゼリー状潤滑剤の一例をその製造方法および特性と共に示す。

まず、下記の表１に記載の特性を有する基油中に、同じく表１に記載の増ちょう剤（ここではステアリン酸リチウム）を供給し脱気しながら攪拌する。なお、脱気後、窒素ガスを導入し窒素ガス雰囲気としておく。

十分に攪拌された状態であることを確認した後、ヒータで加熱する。この際の加熱温度（十分に加熱された状態での温度）は２００℃〜２０５℃とする。

上述の如く十分に加熱した液状の物体を、含油した状態の焼結金属軸受（焼結含油軸受）に充填する。図１でいえば、焼結含油軸受１の軸受面４に設けた複数の凹部（ディンプル６）に上記液状物体を充填する。そして、この状態で常温まで自然冷却することで、凹部に保持された状態のゼリー状潤滑剤が得られる。

このようにした得られたゼリー状潤滑剤は、液体の如く自重により容易に自身の形状を変更するものではない。また、同じゼリー状潤滑剤を試験管内で作成した場合、試験管の天地を入れ替えたとしても落下しないようなものである。

また、この実施形態では、潤滑剤７を保持するための凹部として複数のディンプル６を軸受面４に形成したが、かかるディンプル６は偏りなく分散していることが望ましい。ディンプル６が均等に分散して形成されていれば、焼結含油軸受１の他部品への取付け態様あるいは使用態様により、軸受面４の特定の領域に偏って軸２を支持する場合であっても、潤滑油による摺動潤滑、および潤滑剤７による摺動潤滑を共に満足することができる。

ここで、ディンプル６は、少なくとも表面開孔５より大きくするべきである。また、軸受面４としての機能を発揮し得る大きさまでにディンプル６の大きさを制限すべきである。実質的な軸受面積を確保するためである。

また、この実施形態では、サイジングピンでもって、焼結体の内周にディンプル６を形成するようにしたので、焼結体のサイジング（寸法サイジング）と同時にディンプル６を形成でき、ディンプル６形成のための工程を別途設けずに済む。また、サイジングピンを内周に押し付けることで多数のディンプル６を形成するのであれば、焼結体（焼結含油軸受）のサイズに関係なく、所定数かつ所定の大きさのディンプル６を形成することができる。

もちろん、上記実施形態で説明した、サイジング工程（ｃ）時に併せてディンプル６を形成する方法は一例に過ぎず、他の方法でディンプル６を形成することも可能である。例えば、そのサイズにもよるが、ショットブラスト等のブラスト加工（サンドブラスト、ショットピーニング等を含む）のように、粒子の衝突により外力を付与する手段を使用することで、多数のディンプル６を形成することもできる。この場合、ディンプル６の大きさ、深さ等は、ショット径やその噴射速度等で容易に調整することができる。また、本発明では、焼結金属製の多孔質体をディンプル加工の対象としているため、当該加工を受けた部分の肉は内部空孔３に吸収される形で変形する。そのため、この種の被加工物であれば、加工後の盛り上がりを憂慮することなくディンプル６を形成することができ好適な加工方法といえる。

また、上記実施形態では、潤滑剤７を保持するための凹部としてディンプル６を設けた場合を説明したが、もちろんこれ以外の形状をなすものであってもよい。図３および図４はその一例を示すもので、同図に係る焼結含油軸受１１は内周に軸２を回転支持するための軸受面１４を有すると共に、軸受面１４に凹部として軸方向に延びる複数の溝１６を設けている。この複数の溝１６には、溝１６の表面開孔１５を介して内部空孔１３に引き込まれないような潤滑剤（第２の潤滑剤）１７、例えば上記実施形態と同様のゼリー状の潤滑剤が充填される。

上記構成の焼結含油軸受１１であれば、軸２の相対回転開始時、軸受面１４上の溝１６に保持される潤滑剤１７が軸２と優先的に接触することにより、軸２との間で摺動潤滑状態が確保される。そのため、潤滑油の滲み出しが不十分な場合であっても、軸２と軸受面１４との直接的な接触摺動を極力避けることができ、この接触摺動による摩耗や異音の発生を可及的に抑制することができる。また、上述のように、焼結含油軸受１１への含浸作業の都合上、使用開始時、特に製造後初めて使用する際に、軸受面１４上に潤滑油が残らない場合であっても、常に複数の溝１６に保持された潤滑剤１７の作用により軸２との摺動状態をなるべく円滑に保つことができる。そのため、初期摺動時の摩耗や異音、振動の発生を可及的に抑えることができる。

また、軸２が所定の回転数に到った状態（定常状態）では、軸２の相対回転に伴い、内部空孔１３に保持された潤滑油が表面開孔１５を介して軸受面１４上に滲み出す。これにより、軸２と焼結含油軸受１１との間には、潤滑油の膜が形成され、この潤滑油膜を介して軸２が回転自在に支持される。

また、軸方向に延びる溝１６を凹部として設けるのであれば、上述のサイジング工程（ｃ）で溝１６を塑性加工で形成する他、圧粉成形工程（ａ）の段階で溝１６を形成することも可能である。このように、焼結前の段階で形成するのであれば、溝１６の塑性加工により軸受面１４など他の部分の成形精度に悪影響を及ぼす可能性も低いため、好ましい。もちろん、凹部としては、潤滑剤７、１７をその内部に保持可能である限り、ディンプル６や溝１６以外にも種々の形態、例えば螺旋状に連続した溝を軸受面の軸方向全長にわたって形成するような構成を採ることも可能である。

なお、何れにしてもこれら凹部としてのディンプル６や溝１６には、軸受面４ほどの高い面精度、寸法精度は必要とされない。従い、上述の如く種々の凹部形成手段を特に問題なく使用することができる。

また、以上の実施形態では、摺動面を有する焼結金属製の摺動部材として、軸受面４、１４を有する焼結含油軸受１、１１を例示しているが、もちろんこれ以外の用途に係る焼結金属製の摺動部材についても、本発明を適用することができる。例えば、図示は省略するが、プリンタや複写機の給紙装置の駆動部等に使用されるコイルばね内臓型のトルクリミッタにおいて、このトルクリミッタを構成し、外周で内蔵されるコイルばねと摺接する内輪を焼結金属で形成しその内部に潤滑油を含浸させると共に、摺動面となる外周面にディンプル等の凹部を設け、かつこの凹部に、凹部の表面開孔を介して内部空孔に引き込まれないような潤滑剤、例えばゼリー状の潤滑剤を充填してなる構成を採ることも可能である。

本発明の一実施形態に係る焼結含油軸受の縦断面図である。 図１中の領域Ａの拡大断面図であり、（ａ）は軸を挿入する前の状態、（ｂ）は軸を挿入し、かつ軸が相対回転を開始した際の状態をそれぞれ示す断面図である。 他の実施形態に係る焼結含油軸受の縦断面図である。 図３に示す焼結含油軸受のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１、１１ 焼結含油軸受
２ 軸
３、１３ 内部空孔
４、１４ 軸受面
５、１５ 表面開孔
６ ディンプル
７、１７ 潤滑剤
１６ 溝

Claims (4)

1. 摺動面を有する焼結金属製の部品で、その内部空孔に第１の潤滑剤を含浸してなるものであって、相手部材との相対摺動に伴い、前記内部空孔に含浸した前記第１の潤滑剤が前記摺動面上に滲み出ることにより、前記相手部材と前記第１の潤滑剤を介して摺動するものにおいて、
   前記摺動面に凹部が形成され、該凹部の表面に存在する開孔を介して前記内部空孔に引き込まれないような第２の潤滑剤が前記凹部に充填されていることを特徴とする焼結金属部品。
2. 前記第２の潤滑剤は、使用温度範囲内での任意の温度変化により生じる前記内部空孔への引き込み力に抗して前記凹部に留まり得るものである請求項１記載の焼結金属部品。
3. 前記凹部としての多数のディンプルが前記摺動面上に形成されている請求項１記載の焼結金属部品。
4. 内周に前記摺動面が設けられ、かつ内周に挿入した軸を前記摺動面で支持する請求項１〜３の何れかに記載の焼結金属部品。

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